Ansys Lumerical实战：用FDE和CHARGE搞定PN耗尽型移相器仿真（附完整脚本）

Ansys Lumerical实战：PN耗尽型移相器仿真全流程解析

光子集成电路设计领域，移相器作为关键功能元件，其性能直接影响整个系统的表现。PN耗尽型移相器凭借结构紧凑、响应速度快等优势，已成为高速光通信模块的核心组件。本文将手把手带你完成从电学特性分析到光学参数提取，最终实现电路级验证的完整仿真流程。

1. 仿真环境搭建与基础准备

在开始正式仿真前，需要确保软件环境配置正确。Ansys Lumerical 2023 R2版本对光子器件仿真流程进行了多项优化，建议使用该版本或更高版本。首次启动软件时，建议创建专门的项目文件夹，结构如下：

PN_Phase_Shifter_Project/ ├── CHARGE_Simulations/ ├── FDE_Simulations/ ├── INTERCONNECT_Circuits/ └── Scripts/

关键准备工作清单：

• 确认已安装Lumerical套件中的CHARGE、MODE和INTERCONNECT求解器
• 设置正确的材料库路径，特别是硅基光子器件常用的Si、SiO₂材料参数
• 准备Python 3.8+环境用于脚本自动化（Lumerical内置Python接口兼容性最佳）

注意：不同版本间的脚本可能存在兼容性问题，建议团队统一使用相同软件版本

材料参数设置是仿真准确性的基础。对于PN耗尽型移相器，需要特别注意掺杂浓度的设置：

2. 电学特性仿真（CHARGE求解器）

电学仿真是整个工作流的起点，目的是获取不同偏压下载流子的分布情况。打开CHARGE求解器，首先构建移相器的横截面几何模型：

# CHARGE模型初始化脚本片段 addcharge() setnamed("CHARGE", "x min", -2e-6) setnamed("CHARGE", "x max", 2e-6) setnamed("CHARGE", "y min", -1e-6) setnamed("CHARGE", "y max", 1e-6) # 创建PN结结构 addrect() setnamed("rect1", "x span", 1e-6) setnamed("rect1", "y span", 0.5e-6) setnamed("rect1", "material", "Si")

关键仿真参数设置步骤：

1. 在Boundary Conditions中设置电极接触类型
2. 定义物理模型：选择Drift Diffusion模型，启用Fermi-Dirac统计
3. 设置网格精度：在载流子浓度变化剧烈区域加密网格
4. 定义电压扫描范围：通常从0V到-5V，步长0.5V

运行仿真后，通过以下命令导出电荷分布数据：

# 导出charge.mat文件 matlabdata = getdata("CHARGE","c.electron","c.hole","x","y"); save("charge.mat",matlabdata);

常见问题排查：

• 收敛困难：尝试减小电压步长或调整初始猜测
• 结果异常：检查掺杂参数和材料定义是否正确
• 内存不足：适当降低网格密度或分段仿真

3. 光学特性分析（FDE求解器）

获得电荷分布数据后，转入MODE解决方案进行光学仿真。FDE求解器将计算不同载流子分布下的有效折射率变化。

光学仿真双阶段工作流：

3.1 基准模式分析

在零偏压下获取波导的基本特性：

# 初始化FDE求解器 addfdepde() setnamed("FDE","x min",-2e-6) setnamed("FDE","x max",2e-6) setnamed("FDE","y min",-1e-6) setnamed("FDE","y max",1e-6) # 加载电荷分布数据 load("charge.mat")

3.2 参数扫描分析

对偏置电压进行扫描，获取折射率变化：

# 电压扫描设置 voltages = linspace(0,-4,9) # 0V到-4V，分9个点 neff_results = [] for v in voltages: load("charge_"+num2str(v)+".mat") run() neff = getdata("FDE::data::mode1","neff") neff_results = [neff_results, neff]

关键光学参数输出表格：

提示：为提高扫描效率，可使用分布式计算功能同时运行多个电压点

4. 电路级验证（INTERCONNECT）

将光学仿真结果导入INTERCONNECT进行系统级验证，这是判断移相器实际性能的关键步骤。

创建紧凑模型的三个核心环节：

1. 定义光学端口参数：匹配实际波导尺寸和模式特性
2. 导入neff-V数据：建立偏压-折射率的映射关系
3. 设置相位响应模型：根据器件长度计算相移量

典型测试电路包含：

• 可调激光源（1550nm波段）
• 移相器元件（加载刚创建的紧凑模型）
• 光电探测器
• 光网络分析仪(ONA)

电路仿真脚本示例：

# 在INTERCONNECT中创建测试电路 ic = INTERCONNECT() circuit = ic.create("Circuit") # 添加元件 laser = circuit.add("Optical Signal Generator") ps = circuit.add("Phase Shifter", "ps_model") # 加载自定义模型 detector = circuit.add("Optical Power Detector") # 连接元件 circuit.connect(laser, 1, ps, 1) circuit.connect(ps, 1, detector, 1) # 设置扫描参数 sweep = circuit.add("Parameter Sweep") sweep.set("Parameter", "ps::bias_voltage") sweep.set("Start", 0) sweep.set("Stop", -4) sweep.set("Number of points", 9)

5. 高级技巧与性能优化

经过基础流程后，可通过以下方法提升仿真效率和准确性：

网格优化策略：

• 在CHARGE中使用自适应网格技术
• 光学仿真中采用非均匀网格（波导核心区域加密）
• 利用对称性减少计算量（如TE模式可简化为一维模型）

脚本自动化技巧：

# 自动化工作流示例 def run_full_simulation(): charge_sim() # 电学仿真 fde_sim() # 光学分析 ic_verification() # 电路验证 # 数据后处理 results = process_data() generate_report(results)

参数敏感性分析： 通过DOE(实验设计)方法评估关键参数影响：

实际项目中，我们发现在-3V偏压下器件能达到最佳性能平衡点，此时相位调节灵敏度约为0.05 rad/V，功耗控制在5mW以下。